[硕士论文精品]宽带无线城域网实时通信系统中休眠机制的研究与实现

摘要宽带无线城域网实时通信系统中休眠机制的研究与实现摘要如今用户对于宽带无线化及移动化需求的显著增加，业已出现的各种移动应用都宣告着移动时代的来临。移动系统中手持设备电池能量的有限性使得如何有效使用能量至关重要。高效的能量节省策略及算法对于保证移动通信系统的性能及稳定性具有极其重要的意义。本课题来源于中国科学院计算技术研究所“下一代宽带无线网络通信系统”项目。该项目作为北京市科委的科技计划项目执行过程中与英国芯片制造商PICOCHIP公司合作。笔者在参与项目期间负责系统中HARQ及休眠两个重要模块的全部设计、开发、调测工作。在此基础上，对系统中能量节省策略一休眠机制的相关问题进行了深入研究。本文完成的具体工作和创新之处概括如下首先，简要介绍了能量节省策略休眠机制及算法的发展状况，较为详细的介绍了WCDMA、CDMA2000、WLAN等无线移动网络中采用的休眠机制。然后对IEEE80216协议中的休眠机制进行了详细介绍及深入分析，指出了该机制中待完善之处，作为后续研究和待解决的重点。其次，详细介绍了IEEE80216无线接口技术规范的特点和技术优势，深入分析了物理层和媒体接入控制层的协议栈体系结构。详细介绍了宽带无线城域网实时无线通信系统解决方案所采用的硬件平台、软件系统，同时概要说明了该系统下休眠模块的设计与实现。第三，针对本人工作的重点，对无线城域网实时通信系统中的休眠机制的实现方案加以详细介绍和说明，并将该方案在LINUXOS下以网络驱动程序的方式实现及测试，包括基站和移动台休眠模块。最后，对休眠机制中的参考场景进行数学建模，针对本人提出的休眠机制实现方案在0PNET仿真环境下进行仿真，对休眠机制中参数选取对于系统性能的影响进行分析并得出的结论，对以后的研究具有指导性意义。同时，将休眠机制与切换机制结合起来考虑，将是论文进一步研究的方向。关键词能量节省休眠机制IEEE80216实现OPNET仿真ABSTRACTTHELMPLEMENTANDRESEARCHONSLEEPMECHANISMINWIDEBANDWLRELESSWMANREALTIMECOMMUNICAITONSYSTEMABSTRACTASTHEUSERSKEEPINGANDINCREASINGDEMANDOFWIDEBANDANDMOBILESERVICESNOW,ALLVARIETIESOFEMERGEDMOBILEAPPLICATIONSHAVEALLCLAIMEDFORTHEARRIVAIOFMOBILEERANOMATTERINWHATKINDOFMOBILENETWORKS，BECAUSETHEENERGYOFHANDSETSAREVERYLIMITED，SOENERGYSAVINGISOFGREATIMPORTANCE，ESPECIALLYCOMPAREDWITHWIREDLINENETWORKSSOITHASHUGEIMPORTANCEOFDESIGNINGEFFICIENTPOWERSAVINGALGORITHMSANDSTRATEGIESTOGUARANTEETHEPERFORMANCEOFCOMMUNICATIONSYSTEMSTHISTHESISCOMESFROMTHE“NEXTWIDEBANDWIRELESSNETWORKSCOMMUNICATIONSYSTEM”PROJECTOFCASICTTHEPROJECTISALSONAMEDASTHESCIENCELAYOUTPROJECTOFTHESCIENCECOMMIAEEOFBEIJING，ANDWASCOOPERATEDWITHTHEBRITISHCHIPDESIGNERPICOCHIPCOMPANYTHEAUTHORWASRESPONSIBLEFORALLTHETWOIMPORTANTSYSTEMMODULESDESIGNING，CODING，ANDTESTINGRELATEDWORK，WHICHWASNAMEDHARQMODULEANDSLEEPMODULEANDDIDADEEPRESEARCHINTOTHESLEEPMECHANISMRELATEDPROBLEMSBASEDONFOLLNERFOUNDATIONTHECONCRETEWORKANDHOVELJDEASAREASFOLLOWSFIRSTLY,THEDISSERTATIONBRIEFLYINTRODUCESTHEEVOLUTIONOFTHEPOWERSAVINGTECHNOLOGY,DOSOMESUMMARIESANDCOMPARISONOFTHEPOWERSAVINGMECHANISMSADOPTEDINWCDMA，CDMA2000，LANSYSTEMSINGENERALAFTERTHIS，THEPOWERSAVINGMECHANISMOFIEEE80216ISINTRODUCEDANDANALYZED111ISDISSERTATIONPOINTSOUTITSSHORTCOMINGSWHICHWILLBETHEPROBLEMSTOBESOLVEDSECONDLY,THISDISSERTATIONPRESENTSTHECHARACTERISTICSANDTHEIII北京邮电人学硕十学倚论文TECHNICALADVANTAGESOFTHEIEEE80216SPECIFICATIONS，INCLUDINGTHEDEEPANALYSISOFITSPHYANDMACIAYERPROTOCOLSTACKSTRUCTUREADDITIONALLY,ITINTRODUCESTHESOFTWARESYSTEMOFTHEREALIZATIONOFTHEIEEE80216EMACASWELLASTHEHARDWARESYSTEMANDGENERALLYDESCRIBESTHEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHESLEEPMODULEUNDERTHISSYSTEMTHIRDLY，ASFORTHEMOSTIMPOFTANTPARTOFTHISTHESIS，ACONCRETEINTRODUCTIONANDDESCRIPTIONAGAINSTTHESLEEPSCENARIOUNDERTHISPROJECTPLATFOITOWASPRESENTTHISSOLUTIONWASIMPLEMENTEDANDTESTEDUNDERLINUXOSAS,NETWORKDRIVERPROGRAMINCLUDINGBSMSSLEEPMODULESFINALLY,THEMATHEMATICSMODELUSEDFORDESCRIBINGTHEREFERENCEREALSCENARIOWASBUILTTHESIMULATIONUNDEROPNETSIMULATORWASDONEAGAINSTTHESLEEPSCHEMEPROPOSEDINTHISPAPERTHEIMPACTOFSLEEPMECHANISMPARAMETERSONSYSTEMSOVERAIPERFORMANCEWASANALYZEDFORBEINGUSEDASSOMEGUIDELINESFORFUTURERESEARCHTHECOMBINATIONOFSTEEPANDHANDOVERCOULDBETHENEXTSTEPRESEARCHDIRECTIONKEYWORDSENERGYSAVINGSLEEPMECHANISMIEEE80216OPNETIMPLEMENT缩略语表WIMAXPDUSDUMACCIDBSSS，MSMIM0QOSAASARQHARQOFDMATDMAOFDMDCDUCDDIUCUIUCDLMAPULMAPLOSNLOSFFTIFFTFECCINRRSSIAPI【ETFWMANAAASCAFUSCPUSC缩略语表WORLDWIDEINTEROPERABILITYFORMICROWAVEACCESSING全球微波且联接入PROTOCOLDATAUNIT协议数据单元SERVICEDATAUNIT业务数据单元MULTIMEDIAACCESSCONTROL多媒体接入控制CONNECTIONIDENTIFIER连接标识符BASESTATION基站SUBSCRIBERSTATIONMOBILESTATION用户台移动台MULTIPLEINPUTMULTIPLEOUTPUT多输入多输山天线系统QUAILTYOFSERVICE服务质苗ADAPTIVEANTENNASYSTEM自适应天线系统AUTOMATICREPEATREQUEST自动重传请求HYBRIDAUTOMATICREPEATREQUEST混合白动重传请求ORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEACCESS上E交频分多址TIMEDIVISIONMULTIPLEACCESS时分复川时分多址OAHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING止交频分复用DOWNLINKCHANNELDESCRIPTOR下行信道描述UPLINKCHANNELDESCRIPTOR上行信道描述DOWNLINKINTERVALUSAGECODE下行链路时隙使刖码UPLINKDOWNLINKINTERVALUSAGECODE上行链路时隙使川码DOWNLINKMAPR行链路映射UPLINKMAP上行链路映射LINEOFSIGHTNONLINEOFSIGHT视距非视距FASTFOURIERTRANSFORM快速傅立叶变换INVERSEFASTFOURIERTRANSFORM反向快速傅立叶变换FORWARDERRORCORRECTION前向纠错CARRIERINTERFERENCEANDNOISERATIO载波干扰比RECEIVESIGNALSTRENGTHINDICATOR接收信号强度指示APPLICATIONPROGRAMMINGINTERFACE应FJ程序接口INTERNETENGINEERINGTASKFORCE互联网J任务组WIRELESSMETROPOLITANAREANETWORK无线城域网AUTHENTICATIONAUTHORIZATIONANDACCOUNTING鉴别、授权和计费SINGLECARRIERADAPTIVEMODULATION单载波白适应调制FULLUSAGEOFTHESUBCHANNELS全使川子信道PATIALUSAGEOFTHESUBCHANNELS部分使川子信道北京邮电人学硕十学何论文AMCLDPCMDH0FBSSCSCPSPSCCBRBEUGSRTVRNPSMOBTRFINDTLVTTGRTGRRCURACSMACADCFUMTSCDMAWLANUTRANDRXPCHPLLCFPSCIDSLPLDADAPTIVEMODULATIONCODING自适应调制编码LOWDENSITYPARITYCHECKCODES低密度奇偶校验码MACRODIVERSITYHANDOVER宏分集切换FASTBASESTATIONSWITCHING快速BS切换CONVERGENCESUBLAYER汇聚子层COMMONPARTSUBLAYER公共部分子层POWETSAVINGCLASS能量常省类CCINSTANTBITRATE州定比特流BESTEFFORT尽力而为业务UNSOLICITEDGRANTSERVICE1F请求分配业务REALTIMEVARIABLERATE实时可变速率REALTIMEPOLLINGSERVICE实时轮询业务MOBILETMFFICINDICATION移动流茸指示TYPELENGTHANDVALUE类型长度值TRANSMITRECEIVETRANSITIONGAP发送接收转换间隔RECEIVETRAMSNITTRANSITIONGAP接收发送转换间隔RADIORESOURCECONTROL无线资源管理UTRANREGISTRATIONAREAUTRAN注册医CARRIERSENCEMULTIPLEACCESSCOLLISION载波帧听多址接入冲突AVOIDANCE避免DISTRIBUTEDCOORDINATIONFUCTION分布式协调功能UNIVERSALMOBILETELECOMUNICAITONSYSTEM通用移动电信系统CODEDIVISIONMULTIPLEACESS码分多址WIRELESSLOCALAREANETWORK无线局域网UMTSTERRESTRIALRADIOACESSSNETWORKUMTS无线区域接入网DISCONTINOUSRECEPTION不连续接收PAGINGCHANNEL寻呼信道PHYSICALLAYERINDEPENDENTCONVE唱ENCE物理层无关汇聚功能FUNCTIONPOWERSAVINGCLASSIDENTIFIERPSC标识符SLEEPIDENTIFIER休眠标识符MOBTRFINDMOBILETRAFFICINDICATIONMOBSLPREQMOBILE_SLEEP_REQUESTMOBSLPRSPMOBILE_SLEEPRESPONSE74移动性流鼙指示移动性体民请求移动性休眠响应独创性或创新性声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名堂堇日期鲴兰丝关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后遵守此规定保密论文注释本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名导师签名篮仝至型日期2坠建只期竺Z第一章绪论11研究背景第一章绪论在过去几十年中，移动手持设备包括蜂窝电话已经变得非常普及。当前能提供语音和高速宽带数据业务的新型系统正在发展之中。提供最后一公里的接入是制约通信发展的瓶颈，近10年来，有线宽带接入技术，如XDSL、CABLEMODEM等技术都取得了巨大的成功，但是由于受限于缆线资源和技术覆盖能力，全球仍有很多的用户无法享受宽带接入服务，特别是偏远郊区。伴随着蜂窝技术、无线通信技术的发展，宽带无线接入逐渐成为用户新的选择。目前，IEEE80216协议，就是IETF为实现宽带无线接入而丌发的一种协议，它作为发展势头非常强劲的一种无线网络技术，提供最后一公里宽带无线接入的解决方案，并可作为3G蜂窝通信网的补充甚至替代技术【17】。移动WIMAX自身拥有许多技术优势和成本优势。如能实现50公里的无线信号传输，网络覆盖面积是3G发射塔的LO倍；高速的宽带接入最高达70MS，是3G所能提供的宽带连接速度的30倍左右；支持移动接入，IEEE80216E在终端固定情况下增加终端有限的移动能力，移动速度可达120KMH。而且移动WIMAX由于其网络不见较少甚至可以得到不超过蜂窝数据业务成本的低成本。所有这些都使得无线网络应用的范围大大扩展，更使得移动WIMAX吸引了业界浓厚的兴趣和青睐。然而由于无线移动环境中，移动设备靠电池供电，存储在电池中的能源是极其有限的，所以现有的无线通信的多址接入协议都考虑到了如何最有效的进行电力节省，如何提高节点及网络的能量有效性，使网络在有限的能量条件下能够工作尽可能长的时间。比如蜂窝数字分组数据CDPD、GSM、WLAN、CDMA2000、WCDMA、无线传感器网络等都允许移动终端采用不同的省电模式。作为移动性部分的一个扩展，WIMAX系统在80216E中定义了切换过程及休眠操作模式，但却没有具体给出如何实现休眠机制及具体的休眠算法。引入休眠是无线网络MAC协议提高能量有效性的重要手段，休眠机制也是当前MAC协议研究的热点方向。本课题来源于中国科学院计算技术研究所“下一代宽带无线网络通信系统”项目。该项目是北京市科委的科技计划项目，属于北京市IPV6重大专项，并在北京邮电人学硕十学位论文该项目执行过程中，与英国的PICOCHIP公司合作进行产业化推广。PICOCHIP公司负责PHY层芯片的设计与实现，中科院计算所负责向PICOCHIP提供WIMAXIEEES0216DEMAC层软件原型。在该项目组10个月的实习过程中，笔者负责HARQ模块及休眠模块的研究与实现工作，包括概要设计、详细设计，LINUX内核念下编码、调试、单元测试等所有工作。12论文工作本论文的主要工作包括实现和研究两个部分。首先深入研究IEEE80216E协议，根掘协议中提出的体眠机制在“下一代宽带无线网络通信系统”项目中实现基站和移动台的休眠功能，包括模块划分、接口设计、核心数据结构设计、信令交互流程设计、休眠算法的仞步设计等。在这之上，对休眠机制应用场景进行数学建模，并在OPNET工具下对休眠窗口参数选择对于整体系统性能的影响进行仿真，以求实现更高效的休眠算法。根据研究目标，本文的研究内容主要包括以下四部分1基于各无线移动通信系统中能量节省机制特点的归纳总结深入研究并系统归纳总结了几种在当前通用的无线移动通信系统中所采用的能量节省机制，包括UMTS网络、CDMA2000网络、WLAN网络、无线传感器网络等。2基于IEEE802，16E标准中休眠机制的研究与分析重点研究分析了IEEE80216E标准中的休眠机制，同时参考IEEETASKGROUP中休眠机制相关的DOCUMENTATION，完成对休眠机制中原语交互、信令流程、休E普通状念触发切换过程等的定性定量分析。3结合项目休眠机制解决方案的设计实现与测试依据以上的理论分析，提出在“下一代宽带无线通信系统”项目中完整实现休眠机制的具体方案，结合项目平台可用的软硬件资源基础在实际应用平台上加以实现，并完成测试过程。具体包括基站、移动台两端的模块划分、接口设计、核心数据结构设计、信令交互流程设计、休眠算法设计等。4休眠机制应用场景数学建模及仿真对休眠机制的应用场景进行数学建模，并在OPNET工具下对休眠窗口参数选择对于整体系统性能的影响进行仿真，仿真结论对于实际休眠参数选耿具有指导性意义。13论文的组织结构根据本文的研究目标及内容，本文其余部分将依次介绍在各种移动无线网络第一章绪论中所采用的能量节省机制，WIMAXIEEE80216协议标准、关键技术，笔者所在项目体系结构概貌，该系统中休眠模块及算法的研究与实现等。具体的组织结构如下第一章为绪论，简要介绍宽带无线城域网技术发展及其特点，能量节省机制在移动无线通信系统中的重要意义，最后介绍了一下本文的课题来源及主要工作。第二章详细介绍了各无线移动通信系统中所采用的能量节省策略。依次对UMTSWCDMA网络、CDMA2000网络、WLAN网络中休眠机制的原理加以阐述，对其特点进行归纳总结。深入分析了WIMAXIEEE80216E中规定的休眠机制，作为本文结合实际项目提出休眠解决方案的理论基础。本章介绍的内容涵盖了各种无线移动网络中休眠机制的研究现状及发展方向。第三章简单介绍IEEE80216标准发展历程、协议栈结构、物理层MAC层技术特点之后，就在PICOCHIP硬件平台上的IEEE80216MAC层协议实现方案，对实际项目的硬件平台、MAC层协议软件系统架构进行详细系统的说明，并仞步提出在该系统下休眠机制的实现方案。第四章是本文工作的重点，分几个小节重点介绍本系统中BSMS两端休眠模块的设计与实现。包括对IEEE80216E协议中休眠模式操作的建模分析，模块结构、模块接口、信令流程、休眠算法设计、核心数据结构设计等。在实际应用平台完成了协议中MAC层基站移动台休眠机制设计、实现与测试。第五章针对本文提出的休眠机制解决方案，在OPNET平台下进行仿真。根据仿真结果得出休眠机制中参数选取对于系统整体性能的影响，该结论可作为实际参数选取的理论依据。第六章对本论文所完成的工作进行总结与回顾，提出有待完善之处及进步研究方向，如将切换因素考虑到休眠算法的设计之中，将休眠算法与切换过程相结合。北京邮电人学硕十学何论文第二章无线通信系统中的休眠机制在专门介绍无线城域网系统IEEES0216标准中所采用的休眠机制之前，有必要对其他无线移动通信网络中能量节省策略，即休眠机制的发展历程与研究现状进行研究与分析。本章依次介绍了通用移动电信系统FUNIVERSALMOBILETELECOMUNICAITONSYSTEM，UMTS网络、码分多址CODEDIVISIONMULTIPLEACESS，CDMA2000网络、无线局域网WIRELESSLOCALAREANETWORK，WLAN网络中休H民机制的研究现状。关于如何在无线网络中节省能量的研究很多，而且涉及从物理层到应用层的各个协议层15】19】IJ3114】。物理层能量节省的目标在于硬件元件的设计优化上，比如最小化元件的寄生电容以减小动态功率消耗或选择性地切断能量供给以减轻能量泄漏。逻辑链路层负责组成格式包并负责纠错机制的选择。根据当前信道状态进行自适应的自动请求重传AUTOMATICREPEATREQUEST，ARQ是一种改进策略，但对于将来信道状况预测的准确性和当前条件下的能量节省之阳J存在折衷。在网络层上实现能量节省的主要方法是路由算法，其中针对ADHOC网络的路由协议研究尤其多。部署在有线网络上时传输层协议工作得很好，但在无线环境下却存在一系列问题。要解决这些问题可以通过连接分离，探察、创建支持链路，甚至创建全新的端到端协议束实现，不过目前标准TCPIP及UDP协议在无线数据传输领域还是占据着统治地位。在应用层提出了许多用于控制的技术，当无线设备上电时对设备进行控制从而达到省电的目的，传统方法有CPU电压测量及调度。但具体控制信息需要根据不同应用独立决定。例如在WLAN中针对应用层的能量优化策略可以分为三种类型负载分离，基于代理的控制及应用层的特定优化。根据能量及性能需要，可在多个无线设备的软件上实现负载分离；应用层的特定优化主要用于数据库和多媒体12”。因为本文研究主要是针对MAC层协议，所以在简要介绍其他各层所采用的能量节省机制之后，重点对各无线通信网络中MAC层休眠机制进行了详细介绍。21UMTS通信系统休眠机制UMTS网络出核心网和UMTS区域无线接入网UMTSTERRESTRIALRADIOACESSSNETWORK，UTRAN组成，可以支持高速移动多媒体应用。核心网负责呼叫第二章无线通信系统中的休眠机制数据连接到外网的交换及路由，UTRAN负责无线接入相关部分。MS通过基于WCDMA的空中接口与基站通信。UMTS网络结构如下图所裂“】ATM异步倍输梗式BUFFER缓存CORENELWORK核心同EXTERNALNETWORK外部同MS移动台UTRAN通用移动通信系统陆地无线接入网NODEB基站UMTS通用移动通信系统PROCESSOR处理器WCDMA宽频分码多重存取RNC无线同络控制器图21UMTS网络结构在UMTS中，MS的能源消耗对于无线数据传输是一个重要问题，数掘带宽受到电池容量的严重制约。因此，通常采用能量节省机制减少电力消耗。UMTS采用不连续接收DISCONTINOUSRECEPTION，DRX机制。DRX机制允许MS在预先规定好的一段时间DRX周期内关掉无线接收机，而不是对无线信道进行持续帧听。UMTSDRX机制是通过在RNC和MS之阳J实施无线资源控制RADIORESOURCECONTROL，RRC有限状态机来实现的。该有限状态机有两个模式，RRCIDLE模式和RRCCONNECTED模式。RRCIDLE模式中，MS由核心网络跟踪而不涉及UTRAN，而当MS和其服务RNC之间建立RRC连接后，MS便进入RRCCONNECTED模式。该模式由四种状态构成如果MS获得了RRC连接的专用信道，它将进入小区专用信道CELLDCH状态。如果给MS分配的是公共或共享信道，它将进入小区前向接入信道CELLFACH状态。只有在这两个状态中才能进行数据通信。在小区寻呼信道CELLPCH状态中没有上行接入链路，MS将选择一个寻呼信道信道来监视来自RNC的寻呼消息。在以上三种RRC状态下，MS移动到新小区时将执行位置更新。如果MS接收包不频繁，则UTRAN将指导MS进入URAPCH状态来消除小区更新的丌销。在这种状态下，仅当MS跨越UTRAN注册区UTRANREGISTRATIONAREA，URA时才执行位置更新。在CELLDCH和CELLFACH状态下，MS的接收机都处于丌启状态以接收数据包，这两个状态对应能量活跃POWERACTIVE模式。在RRCIDLE模式，即CELLPCH和URAPCH状态中，通过实施DRX来减少MS的能量消耗，这两个状态模式对应着能量节省POWERSAVING模式。MS的接收机活动对应如下三个阶段忙BUSY阶段数据传输阶段，UMTS核心网通过RNC和NODEB将包发，团啉北京邮电人学硕十学位论文给MS。数据包在发给MS之前都先缓存在RNC缓存器中，当MS处于ACTIVE模式时以先进先出FIRSTINFIRSTOUT，FIFO方式发给MS。非活跃INACTIVITY阶段RNC缓存为空时启动RNCINACTIVITY定时器。如果定时器超时前有包到达RNC则终止定时器，RNC处理器丌始传输数掘进入另一个忙阶段；忙阶段和非活跃阶段MS的接收机都处于开启状态。休眠STEEP阶段定时器超时之前没有包到达，剐MS关闭接收机进入能量节省模式。MS休眠长度包含至少一个DRX周期。在DRX周期结束时，MS醒来帧听寻呼信道。如果在上一个DRX周期中有包到达RNC该MS的寻呼标志被置位，则MS终止休眠状态丌始接收包。如果在上一个DRX周期结束时仍没有包到达，则MS继续休眠直到下一个DRX周期结束。在POWERSAVING模式中，RNC不会给MS发送任何数据包。UMTS系统中有限状态机图22所示CELLDCH小区专用信道CELLFACH；小区前向接信谨CELLPGH小区寻呼信道CONNECLEDMODE莲撬状态POWERQELVEMMO，。WER。AVTNEM。AEIDLEUOD8空闲状态POWERACTMODEI量活跃梗式POWEREA卅NGMODE麓量节约桓式URAPCH注册区一寻呼信遭图22UMTS网络有限状态机22CDMA2000通信系统中休眠机制在CDMA2000中采用码分多址技术来满足下一代无线通信系统的需求，利用增强MAC协议ENHANCEDMACPROTOC01提供多种省电的模式【伦】。由于空中接13容量的有限性，基站设备数量的有限性以及移动台功率消耗的限制，为分组数掘服务的用户按需提供专门信道，并在数据传输活动期结束后立即释放信道。然而，由于在BS和MS能够进行数据发送之前需要经过重新协商的过程，引入了时延和信令开销。为了避免这些信令和时延开销，CDMA2000MAC协议允许初始化阶段完成后MS和BS保存一系列的信息状态，利用定时器作为MAC状念转移的触发条件。由于定时器时间的设置值在电力节省和包平均传输时延之第二章无线通信系统中的休眠机制间有一个折衷，所以选择恰当的定时器值是非常重要的。对于物理层无关汇聚功能PHYSICALLAYERINDEPENDENTCONVERGENCEFUNCTION，PLICF数据服务，CDMA2000有许多状态机，比如正常及时隙子状态NORMALSUBSTATEANDSLOTTEDSUBSTATECHS，活动状态ACTIVESTATE，AS，虚流量及时隙子状态VIRTUALTRAFFICSUBSTATEANDSLOTTEDSUBSTATE，SS，以及空状态MULLSTATE。空状态是激活包服务前的默认状态。当激活包服务、建立专用MAC控制信道DMCHCONTR01之后，转到正常及时隙子状态。活动状态中维持专用酊向反向的控制数据信道，用于无线链路协议RADIOLINKPROTOCOL，RLP帧的交换。经过一段时间的非活动状态之后，MS将从活动状态转到J下常及时隙子状态。正常及时隙子状态中，专用的数据信道资源将被释放，但仍保留专用MAC信道DMCHCONTR01以便能在需要时快速重新分配数据信道。这样，CDMA2000MAC就在提供了快速返回活动状态的同时，也提供了时隙FSLOTTED操作模式来节省电力。如果当前处于CHS的正常子状态，并处于非活动状态一段时间后，将转移到CHS的时隙子状态。在时隙状态中，周期性的启用和禁用导航PILOT信道及功率控制信道以实现最小的电力消耗。但只对分组语音业务这样的时延敏感型业务提供这种电力节省的功能。对于数据业务这样的时延不敏感业务，再持续非活动状态一段时间之后，将转移到时隙子状态，因为F常及时隙子状态中的时隙子状态不能提供最有效的无线资源节省和MS电力节省。在时隙状念中，专用信道都将被释放，但由于BS和MS都保存了状态信息，所以移动台还是能较快速的获取专用数据信令信道。处于时隙状态时，MS将监视前向公共MAC信道FCMCHCONTR01。当处于SS中的虚流量子状态时VIRTUALTRAFFICSUBSTATE时，MS将向BS发送位置更新消息以便维持一个虚活动集VIRUTUALACTIVESET，同时使BS知道它的当前位置。因为SS状态中通过交换位置更新消息来维持虚活动集有一定开销，而且大多数情况下，这种开销使MS不能长久保持这种状态，所以在维持一段时问的非活动状态后，分组业务需要转到SS的时隙子状态。在SS的时隙子状态中，不需要再维持虚活动集，而是通过监视前向公共MAC信道来减少电力消耗。当持续较长时间没有数据交换后，断开数据服务选项，同时终止包交换或电路交换。CDMA2000中状态转移如下图所示北京邮电人学硕十学竹论文图23CDMA2000网络中有限状态机23WLAN中的休眠机制在无线局域网1EEE8021L40】标准中定义了基于载波帧听多址接入冲突避免FCARRIERSENCEMULTIPLEACCESSCOLLISIONAVOIDANCE，CSMACA的多址接入协议，基本接入方法采用分布式协调功能DISTRIBUTEDCOORDINATIONFUCTION，DCF”。当移动设备帧听到等于或大于DCF帧问空间DCFINTERFLAMESPACE，DIFS时可立即发送数掘包。如果载波当I；I忙，则移动设备推迟发送并进入退避状态。不成功发射之后的时间问隔由一系列预定义的时隙组成，称为竞争窗口。处于退避阶段的移动设备将随即选择竞争窗口中的一个时隙来对载波进行帧听。如果帧听到其他移动设备正在发送，则再次进入退避状态。如果没有帧听到其他移动设备的发送，则该终端发送接入包并捕捉载波。在IEEE80211协议中推荐了以下能量节省技术，即终端可以切换到休眠模式。当终端休眠时，基站缓存本应发送到该终端的数据。基站周期发送包含缓存数掘包的指示信息，一旦终端处于清醒模式将帧听这些指示信息并通知基站它已做好接收的准备。这样的方法在节省终端能量的同时由于将数据包缓存，可能影响到服务质量。第二章无线通信系统中的休眠机制24WIMAX无线城域网休眠机制241休眠模式与清醒模式由于移动设备电池电力限，休眠操作模式是延长其操作生命期的最重要手段。作为移动性部分的扩展，在80216E中定义了切换过程及休眠操作模式。80216E协议中，一个注册到基站BASESTATION，BS的移动台MOBILESTATION，MS可能处在两种操作模式中，即清醒模式AWAKEMODE和休眠模式SLEEPMODE。处于清醒模式的MS可以根据BS的调度进行数据收发；相反，处于休眠模式的MS可以在预协商的时间间隔内脱离其注册BS。休眠模式中包含两种操作窗口，即休眠窗口和帧听窗口。在休眠窗口中，MS不能接收任何下行协议数据单元POTOCOLDATAUNIT，PDU，也无需帧听下行流量，可以关闭个或多个物理器件以达到节省能量消耗的目的。在帧听窗口中，MS需要与服务BS取得下行同步，并帧听流量指示消息来决定继续保持休眠或回到清醒模式。处于休眠模式的MS在两种操作模式窗口时间白J隔，即休眠窗口SLEEPWINDOW和帧听窗口1ISTENINGWINDOW之间进行切换。在休眠窗口内，MS关掉收发机以达到节省电力消耗的目的，因此也就不能进行数据收发。如果数据包在MS休眠期问到达BS，则数据包缓存在BS的缓冲队列中，直到MS返回清醒状态时再发送给MS。在帧听窗口内，MS与其服务BS保持下行同步，并对移动性流量指示MOBTRFIND消息进行帧听，MOB_TRFIND消息包含是否有到MS的下行缓存数据的指示，从而MS可以决定是保持清醒状态以便接收下行数据或返回休眠状态继续休眠。80216E协议中为休眠机制制定了3类能量节省类POWERSAVINGCLASS，PSC，不同类型PSC适用于不同特征的业务，其休眠窗口变化规律也有所不同，这将在后面进行详细介绍。以第一类PSC为例，在休眠模式下MS丌始休眠一段固定长度时自J，称为“初始休眠窗口”，然后醒束检查是否有BS对其发出的下行缓存数据。如果没有下行缓存数据，MS将休眠窗口长度加倍继续休眠，当休眠窗EL结束时再次检查是否存在BS对其发出的下行缓存数据。如此过程反复直到休眠窗口到达最大休眠窗口大小为止。下图”1以TYPELPSC为例说明了帧听窗EL、休眠窗口及休眠日J隔之间的关系，其他两类PSC可作为TYPELPSC的特例。当MS从清醒模式进入休眠模式时，MS在仞始休眠窗口指定的时间间隔内休眠。在帧听窗口开始时，MS醒过来接收MOBTRFIND消息；如果没有属于该MS的缓存消息，则MS将休眠窗口加倍继续休眠直到下一个帧听窗口。这些休眠帧听过程反复进行，休眠窗口大小也不断9北京邮电大学硕十学何论文更新，直到MS被告知有属于它的缓存数据为止。此时，MS需要结束休眠返回清醒模式以便接收缓存数据。R揪式聿IRD毗刮“热引_监彻期，牛监裥期。I卜监棚期N一时目图24休眠模式与清醒模式交互图所有休眠相关参数都在MS进入休眠之自U通过休眠管理消息由MS和BS协商确定，休眠过程中涉及的管理消息也将在后面详细介绍。另一方面，如果MS有上行数扼要发送，则可以及时醒来为上行发送做准备。因为此时BS还没有为该胍分配带宽，MS需要在带宽请求竞争时隙发送带宽请求消息，随后即可按清醒模式工作，比如在BS分配的带宽上发送上行数据。BS休眠模块对MS休眠进行控制，这主要是通过BS与MS的信息交互来完成的。核心数据结构中BS为每个MS开辟空阃来保存该MS的体眠相关信息。MS发出带有休眠参数的休眠请求，BS解析消息并且如果必要对休眠参数进行修改，对休眠信息进行响应后MS即可按照BS修改后的信息开始休眠。242休眠机制中的管理消息移动性休眠请求MOBILE_SLEEPREQUEST，MOBSLPREQ消息支持休眠功能的MS使用该消息束请求休眠，该消息可以包含PSC的定义以及对PSC的激活和去激活。从清醒模式切换到休眠模式之前，MS通过BASICCID连接向BS发送MOBSLPREQ消息，然后等待BS发送的MOBSLPRSPD自J应消息进行协商。MOBSLPREQ消息中包含PSC类型、初始休眠窗口大小、最终休眠窗口大小以及帧听窗口大小。所有窗口大小以MAC帧为单位。消息中包含的一些关键字段有DEFINITION0，表示没有包含PSC的新定义；1，包含新PSC定义。OPERATION0，去激活某个PSC仅对TYPEL、TYPE2PSC有效L，激活某个PSC。第二章无线通信系统中的休眠机制POWERSAVING_CLASSID分配PSC标识符，在MS的PSC组中必须唯一。该标识符也将用于后续的MOBSLPRSP消息中。STARTFRAMENUMBER第一个休眠窗口的起始帧以MAC帧为单位，即MS将在何时进入休眠。TRAFFICTRIGGERED_WAKENINGFLAG该字段仅对TYPELPSC有效。L，表示MS的连接上出现流量时PSC自动去激活；0，与之相反。LISTENINGWINDOWMS的帧昕窗口大小以MAC帧为单位。对于TYPE3型PSC，因为经过一个休眠窗口后PSC自动去激活，所以该字段无意义，置为O。INITIALSIEEPWINDOW初始休眠窗口大小以MAC帧为单位。对于TYPE2型PSC，该字段无意义，置为0。FINALSLEEPWINDOWBASE分配给PSC的最终休眠窗口大小的底数以MAC帧为单位。对于TYPE2PSC，该字段无意义，置为0。FINALSLEEPWINDOWEXPONENT分配给PSC的最终休眠窗口大小的指数以MAC帧为单位。最终休眠窗口计算公式为FINALSLEEPWINDOWFINALSLEEPWINDOWBASE2FINALSLEEPWINDOWEXPONENTNUMBEROFCIDS如果该值为0，表示该MS上所有单播CID都属于该PSC。否则，表示该PSC中CID个数。CID组成该PSC的所有单播连接ID。当CID0时表示MS上的所有管理消息连接集。ENABLEDACTIONTRIGGERED该类型长度值TYPELENGTHANDVALUE，TLV可能在请求激活PSC时包含在MOB_SLPREQ消息中。该TLV指明了当达到特定触发条件时MS应当执行的一系列动作。比如MS可能发送MOBSCNREPORT消息或MOBSCNREQ消息以执行扫描或与其他BS的关联动作，但不会影响PSC的状态。HMACCMACTUPLE该TLV是参数中的最后一个TLV，与安全鉴权功能相关。移动性休眠响应MOBILE_SLEEPRESPONSE，MOBSLPRSP消息BS通过广播CID或MS的BASICCID将该消息发送给MS作为MOBSLPREQ消息的响应，或者BS也可以非请求的主动发送该消息。其中包含SLEEPAPPROVED字段，表明BS是同意或不同意MS的请求。如果BS同意MS进入休眠，则MS可以进入休眠模式。另外，BS的MOBSLPRSP消息中还可能包含PSC类型、休眠起始帧帧号、初始休眠窗口大小、最终休眠窗口大小以及北京邮电大学硕十学位论文帧听窗口大小。所有的休眠参数都由MS和BS经过协商确定，并根据PSC类型而不同。服务BS还可以非请求方式给MS发送MOBSLPRSP消息来使MS进入休眠模式。这种情况下，MS收到MOBSLPRSP消息后，则在相应的MAC帧进入休眠模式。消息中包含的一些关键字段有LENGTH_OF_DATA指明某个PSC所占字节数BYTES。SLEEP_APPROVEDI，表明BS同意MS对于某个PSC的激活去激活请求。O，表示BS不同意MS对于某个PSC的激活去激活请求。另外，对于BS按非请求方式主动发起的MOBSLPRSP消息中包含PSC的新定义，则需要将该字段置为1。DEFINITION表明是否包含PSC新定义。OPERATION0，表示去激活某个PSC仅对TYPEL、TYPE2有效1，表示激活某个PSC。POWERSAVINGCLASSID分配PSC标识符，在MS的PSC组中必须唯一。该标识符也将用于后续的MOBSLPRSP消息中。STARTFRAMENUMBER第一个休眠窗口的起始帧以MAC帧为单位，即MS将在何时进入休眠。REQDURATIONMS重发MOBSLPREQ消息前的等待时间以MAC帧为单位。当经过该值指明的帧后，如果MS没有收到MOBSLPRSP消息，则将进行MOBSLPREQ消息的重传。LISTENINGWINDOWMS的帧听窗口大小以MAC帧为单位。对于TYPE3型PSC，因为经过一个休眠窗口后PSC自动去激活，所以该字段无意义，置为O。INITIALSLEEPWINDOW初始休眠窗口大小以MAC帧为单位。对于TYPE2型PSC，该字段无意义，置为0。FINALSLEEPWINDOWBASE分配给PSC的最终休眠窗口大小的底数以MAC帧为单位。对于TYPE2PSC，该字段无意义，置为0。FINALSLEEPWINDOWEXPONENT分配给PSC的最终休眠窗口大小的指数以MAC帧为单位。最终休眠窗口计算公式为FINALSLEEPWINDOWFINALSLEEDWINDOWBASE26衄JSL比PW。“OOW。1PO啪TRFINDREQUIRED仅对TYPELPSC有效，对于其他类型PSC该字段需设置为0。该字段为1时，BS需要在MS的每个PSC的每个帧听窗口发送至少一个TRFIND消息。TRAFFIC_TRIGGERED_WAKENINGFLAG该字段仅对TYPETPSC有效。L，表示MS的连接上出现流量时PSC自动去激活0，与之相反。第二章无线通信系统中的休眠机制SLPID该值由BS指导MS进入休眠模式时为MS分配的。BS下每个MS的SLPID唯一且不同。NUMBEROFCIDS如果该值为0，表示该MS上所有单播CID都属于该PSC。否则，表示该PSC中CID个数。CID组成该PSC的所有单播连接ID。可以包含单播或多播或管理消息，但某个PSC中的CID不能是不同类型CID的混合。当CID0时表示MS上的所有管理消息连接集。MAINTAINDIVERSITYSETANDANCHORBSL，表示在休眠模式MDHOFBSS期间为MS维持DIVERSITYSET及ANCHORBS。0，相反。MDHOFBSSDURATIONS表示DIVERSITYSET及ANCHORBS将在PSC激活之后维持102EXPS帧。另外，POWERSAVINGCLASSTLVENCODED消息中可能还包含以下TLVNEXTPERIODICRANGING该值为MS执行周期测距与MOBSLPRSP消息发送时间之间的帧偏移。ENABLEDACTIONTRIGGERED该TLV可能在请求激活PSC时包含在MOBSLPREQ消息中。该1RI指明了当达到特定触发条件时MS应当执行的一系列动作。比如MS可能发送MOBSCNREPORT消息或MOBSCNREQ消息以执行扫描或与其他BS的关联动作，但不会影响PSC的状态。HMACCMACTUPLE该11是参数中的最后一个TLV，与安全鉴权功能相关。移动性流量指示MOBILETRAFFICINDICATION，MOBTRFIND消息该消息由BS通过广播CID或休眠模式多播CID向MS广播发送。该消息的特定接受对象为包含TYPELPSC的MS，并由MS在帧听日J隔中接收。没有TYPELPSC的MS将忽略该消息。该消息向MS指明在其休眠期间是否存在缓存给该MS的流量。MS在检查帧号以确定没有与BS失去帧同步，然后检查分配给它的SLPIDGROUPIN